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  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
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冰川冻土, 2021, 43(4): 1166-1178 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0075

冰冻圈水文与水资源

春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系研究

周雅蔓,1, 刘晶3,4, 赵勇,2, 马超1, 李娜1

1.新疆维吾尔自治区气象台,新疆 乌鲁木齐 830002

2.成都信息工程大学 大气科学学院,四川 成都 610225

3.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐 830002

4.中亚大气科学研究中心,新疆 乌鲁木齐 830002

Study on the relationship between tropical sea surface temperature in spring and extreme summer precipitation in northern Xinjiang

ZHOU Yaman,1, LIU Jing3,4, ZHAO Yong,2, MA Chao1, LI Na1

1.Xinjiang Meteorological Observatory,Urumqi 830002,China

2.College of Atmospheric Sciences,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China

3.Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China

4.Center for central Asia Atmosphere Science Research,Urumqi 830002,China

通讯作者: 赵勇,研究员,主要从事区域气候变化和模拟研究. E-mail: zhaoyong@idm.cn

编委: 周成林

收稿日期: 2020-07-09   修回日期: 2020-10-23  

基金资助: 国家重点研发计划专项.  2018YFC1507103
四川省科技计划项目.  2020JDJQ0050
国家自然科学基金.  41875102
中国气象局创新发展专项.  CXFZ2021Z034-21-104

Received: 2020-07-09   Revised: 2020-10-23  

作者简介 About authors

周雅蔓,工程师,主要从事天气预报预测和灾害性天气研究.E-mail:15276759704@163.com , E-mail:15276759704@163.com

摘要

基于1961—2017年北疆47站夏季逐日降水资料、NOAA海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用90%分位确定北疆夏季单站降水阈值,得出极端降水量,讨论了春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系。结果表明:北疆夏季极端降水和春季热带印度洋(20° S~15° N,50°~110° E)及赤道东太平洋(15° S~15° N,90°~180° W)海温呈正相关,两个关键区春季热带海温异常偏暖时,北疆夏季极端降水偏多,仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖时,北疆西北地区夏季极端降水偏多。当春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区海温同时异常偏暖时,200 hPa西风急流轴明显偏南,500 hPa西西伯利亚和中亚地区低值系统活跃,南方路径输送的水汽增加,有利于北疆夏季极端降水的发生;仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖时,200 hPa西风急流强度增强,500 hPa西西伯利亚地区低值系统活跃,配合偏东路径的水汽输送,北疆西北地区夏季极端降水偏多。

关键词: 北疆 ; 夏季极端降水 ; 春季热带海温 ; 环流特征

Abstract

Based on the daily precipitation data of 47 stations in northern Xinjiang, NOAA SST data and NCEP/NCAR reanalysis data from 1961 to 2017, the precipitation threshold of single station in northern Xinjiang in summer was determined by using 90% position, and the extreme precipitation was obtained. The relationship between tropical sea surface temperature in spring and extreme summer precipitation in northern Xinjiang was discussed. The results show that: the extreme summer precipitation in northern Xinjiang was positively correlated with the sea surface temperature in the Indian Ocean (20° S~15° N, 50°~110° E) and the eastern equatorial Pacific (15° S~15° N, 90°~180° W) in spring. When the sea surface temperature in the two key regions were abnormally warmer in spring, the extreme summer precipitation in northern Xinjiang was increased. Only when the sea surface temperature in the key region of the Indian Ocean was abnormally warmer in spring, the extreme summer precipitation was increased in the northwest of northern Xinjiang. When the sea surface temperature in the two key regions of the Indian Ocean and the eastern equatorial Pacific increased abnormally in spring, the axis of westerly jet was obviously southward at 200 hPa, the low-value systems were active in western Siberia and Central Asia at 500 hPa, and the increase of moisture transported by the southern route was conducive to the occurrence of extreme summer precipitation in northern Xinjiang. Only when the sea surface temperature in the key region of the Indian Ocean was abnormally warmer in spring, the intensity of westerly jet increased at 200 hPa, the low value systems were active in western Siberia at 500 hPa, the extreme summer precipitation in the northwest region of northern Xinjiang was increased which cooperated with the water vapor transportation in the eastward path.

Keywords: northern Xinjiang ; extreme precipitation in summer ; tropical sea surface temperature in spring ; circulation characteristics

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本文引用格式

周雅蔓, 刘晶, 赵勇, 马超, 李娜. 春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1166-1178 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0075

ZHOU Yaman, LIU Jing, ZHAO Yong, MA Chao, LI Na. Study on the relationship between tropical sea surface temperature in spring and extreme summer precipitation in northern Xinjiang[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(4): 1166-1178 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0075

0 引言

IPCC第五次报告进一步确认了全球气候变暖的事实1,极端降水、高温、大风、沙尘暴等极端气候事件在过去半个世纪均表现为增多增强的趋势,21世纪末中纬度地区极端天气和气候事件的频率或强度将继续增加,大范围持续强降水事件的频繁发生往往易引发泥石流和山体滑坡等自然灾害2-4,给社会经济和人民生命财产带来严重影响。近年来研究表明:我国极端降水呈现增多趋势5,极端降水的频次、降水量及强度也均呈上升趋势6,且年降水量的变化主要是由极端降水量的变化导致的7,极端降水给生态环境、人民安全带来了严重的影响8,如2010年甘肃省舟曲县持续极端降水造成的泥石流灾害9,2012年北京“7∙21”大暴雨造成的城市内涝等10。极端降水事件增多在气候变化敏感和脆弱的地区更为显著,尤其在西北地区,极端降水量和频次明显增加11-13,新疆作为干旱与半干旱区,大部分站点表现出极端降水频率增长的趋势,且主要集中在北疆及南部偏北地区,且山区极端降水强度大,平原地区极端降水频数多14-19

极端降水事件的增加与大气环流形势有着密切的关系,大气环流异常是造成天气气候变化的直接原因20,极端降水的变化与大气内部的动力作用和能量传播密切相关21。西北地区的夏季降水与冷空气条件和水汽来源密不可分22,南亚高压、乌拉尔山脊、蒙古气旋、西太平洋副热带高压的强弱对西北地区夏季降水有很大影响23,水汽接力输送是西北干旱区暴雨发生的重要条件24。而大气环流异常是与海温等大气外强迫变化相联系的,海洋变化对气候响应敏感的干旱地区影响显著25,对降水的影响主要是通过环流对海温的响应表现出来的。已有大量研究表明:亚洲干旱与半干旱区的降水与南北纬10°之间三个大洋暖池区域的海温存在显著的正相关,与东印度洋暖池海温的相关性最高,其次是西太平洋暖池的海温26,北太平洋、印度洋和南海地区以及赤道中东太平洋区域作为三个影响我国降水的关键地区27-30,当北太平洋关键海区1、2月海温异常偏高时,江淮北区6—7月降水偏多31,当春季印度洋海温异常偏高时,通过影响夏季东亚环流、西太平洋副热带高压位置,进而影响我国的降水分布32,印度洋海温一致增暖是造成我国雨带南移的原因之一33,并且同期热带印度洋海温异常与南亚高压强度变化有很好的关系34-35

受气候增暖的影响,新疆极端降水指标基本上在1986年、1987年发生突变36-37,北疆的极端指数变化比其他地区显著38,已有研究表明:新疆降水年代际和年际的异常增多,主要是由于高、中、低纬系统、西亚西风急流和中亚低值系统的活跃39,北疆夏季降水与南亚高压伊朗高压型有重要关系40,并且北疆夏季降水变化与前期冬末至春季的北印度洋、西太平洋暖池及黑潮区、热带中东太平洋、北大西洋和热带大西洋海温敏感区密切联系,前期冬季、春季热带印度洋暖海盆使得新疆至巴尔喀什湖上空为异常气旋型环流,西北地区东部5月降水异常偏多41;前期春季海温异常与北疆夏季降水变化的联系最显著42,但是北疆夏季极端降水与热带海温相关联系的研究并不详细,海温敏感区的协同影响或单独影响并未开展探讨。本文基于北疆47个观测站的日降水资料,分析春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系,并讨论春季热带海温关键区对北疆夏季极端降水的影响及夏季大气环流特征。

1 数据与方法

1961—2017年北疆47站逐日降水数据由全国综合气象信息共享平台提供,首先对获取的逐日降水资料进行简单的质量控制,剔除了夏季(6—8月)北疆降水数据缺测值超过5%的站点,用于本文研究的北疆观测站点分布见图1。同时选取了1961—2017年NOAA(美国国家海洋大气管理局)提供的水平分辨率为1°×1°的全球月平均海洋表面温度(Sea Surface Temperature, SST)数据,并取30° S~30° N的区域用于研究。本文使用环流资料为NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心和大气科学研究中心)提供的月平均再分析资料,分辨率为2.5°×2.5°,时间选取1961—2017年,要素包括高度场、风场、比湿场和海平面气压场等。

图1

图1   北疆观测站点分布

Fig.1   Distribution of observational stations in northern Xinjiang


本文使用目前国际上研究气候极值变化最常见的百分位法来计算北疆夏季极端降水,选取第90个百分位的日降水量定义为夏季极端降水量的阈值。从北疆夏季极端降水阈值分布来看[图2(a)],平均夏季极端降水阈值达9.1 mm,超过10 mm的高值区主要分布在伊犁河谷东南部山区、天山山区、乌鲁木齐和昌吉州东部,最大值出现在天池站,为22.5 mm。结合年均夏季极端降水量来看[图2(b)],准噶尔盆地年均夏季极端降水量普遍低于40 mm,超过50 mm的观测站集中在伊犁河谷东南部山区、天山山区和昌吉州东部山区,其中,天池站、天山大西沟站和小渠子站的年均夏季极端降水量超过100 mm。1961—2017年北疆47个观测站的平均夏季极端降水量总体呈上升趋势[图2(c)],夏季极端降水量在1987年首次突破59 mm,之后又多次达到峰值,2016年出现这57年来的峰值。夏季极端降水在时间、空间上的不均匀极易引发干旱、洪涝、泥石流等自然灾害,文中运用相关分析法和偏相关分析法找出春季热带海温与北疆夏季极端降水紧密联系的关键区(分析结果运用相关系数信度检验),讨论春季热带海温关键区对北疆夏季极端降水的影响,利用合成分析法进一步探讨春季热带海温异常时影响北疆夏季极端降水的环流特征(合成分析结果运用t检验方法进行信度检验),对预报预测业务提供一定的指导。

图2

图2   北疆夏季极端降水阈值(a)、年均夏季极端降水量的空间分布(b)和平均夏季极端降水量的时间变化(c) (单位:mm)

Fig.2   The extreme summer precipitation threshold (a), spatial distribution of annual mean extreme summer precipitation (b) and temporal variation of average extreme summer precipitation (c) in northern Xinjiang (units: mm)


2 北疆夏季极端降水与春季热带海温的关系

2.1 北疆夏季极端降水与春季热带海温的相关分布

为研究影响北疆夏季极端降水的春季热带海温关键区,首先分析1961—2017年这57年北疆夏季极端降水量的区域平均值和前期春季(3—5月)热带海温的相关系数分布,综合对比分析不同海域的相关系数[图3]可以看出:前期春季,印度洋海区、赤道东太平洋海区、北大西洋加勒比海区和南海与北疆夏季极端降水呈显著的正相关关系,北疆夏季极端降水与20°S以北印度洋海温的相关系数均通过0.01的信度检验,其中与5° N~10° S、60°~100° E海温的正相关系数超过0.5。因此,选取印度洋(20° S~15° N,50°~110° E)和赤道东太平洋(15° S~15° N,90°~180° W)作为本文研究的热带海温关键区(图3中的矩形框范围)。

图3

图3   北疆夏季极端降水与春季热带海温的相关分布(阴影区表示通过0.01的信度检验)

Fig.3   Correlation distribution between extreme summer precipitation in Northern Xinjiang and tropical sea surface temperature in spring (shaded areas indicate a reliability test that passes 0.01)


2.2 北疆夏季极端降水与春季热带关键区平均海温的时间变化特征

下面进一步研究北疆夏季极端降水与春季热带关键区平均海温的时间变化特征[图4],从图4(a)来看,1961—2017年,春季热带印度洋关键区(20°S~15° N,50°~110° E)的平均海温与北疆夏季极端降水几乎为同位相变化,两者的相关系数达0.55,通过0.001的信度检验,去除线性趋势后,相关系数仍达0.41,依旧通过0.001的信度检验,说明春季热带印度洋关键区平均海温与北疆夏季极端降水在年际和年代际尺度上存在密切联系。图4(b)中,春季赤道东太平洋关键区(15° S~15° N,90°~180° W)的平均海温与北疆夏季极端降水的相关系数为0.44,去除线性趋势后,相关系数超过0.34,均通过0.01的信度检验。由此可见,北疆夏季极端降水与春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区的海温关系密切,尤其是与春季热带印度洋关键区的海温相关更为显著。通过对春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区平均海温与北疆夏季极端降水的偏相关分析来看,春季热带印度洋关键区在去除赤道东太平洋关键区的影响后与北疆夏季极端降水时间序列的偏相关系数为0.37(通过0.05的信度检验),而春季热带赤道东太平洋关键区在去除印度洋关键区的影响后与北疆夏季极端降水时间序列的偏相关系数为0.08,进一步证明北疆夏季极端降水与春季热带印度洋关键区的海温关系更为密切。

图4

图4   北疆夏季极端降水与春季热带关键区平均海温的时间变化

Fig.4   Temporal variation of extreme summer precipitation in northern Xinjiang and sea surface temperature in key tropical regions in spring: the key region of the Indian Ocean (a); the key region of the eastern equatorial Pacific (b)


3 春季热带关键区海温异常与北疆夏季极端降水和大气环流的关系

上述北疆夏季极端降水与春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区海温的相关分析和时间变化均表明北疆夏季极端降水与春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区的海温关系密切,下面重点分析春季热带关键区海温异常情况下,北疆夏季极端降水的分布情况。从图5春季热带印度洋关键区和赤道东太平洋关键区海温的时间变化来看,热带印度洋关键区海温和赤道东太平洋关键区海温联系紧密,选取热带关键区海温超过0.5个标准差的年份作为异常偏暖年,低于-0.5个标准差的年份作为异常偏冷年,热带关键区海温绝对值小于0.25的年份作为正常年。下面根据春季热带关键区海温的不同偏暖型进行讨论,第一种是春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区海温一致偏暖,第二种是仅春季热带印度洋关键区海温单独偏暖,第三种是仅春季赤道东太平洋关键区海温单独偏暖,在讨论时段内不存在第三种情况。对应春季热带关键区海温偏冷型也分为两种情况,第一种是春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区海温一致偏冷,第二种是仅春季热带印度洋关键区海温单独偏冷,下面重点讨论这几种情况与北疆夏季极端降水的关系。

图5

图5   春季热带印度洋关键区和赤道东太平洋关键区海温的时间变化

Fig.5   Temporal variation of tropical sea surface temperature in key regions of tropical Indian Ocean and equatorial eastern Pacific in spring


春季热带关键区海温的不同偏暖型的选取分为以下两种:春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温均超过0.5个标准差的年份和热带印度洋关键区平均海温超过0.5个标准差而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差的年份这两种情况进行讨论,研究厄尔尼诺年和非厄尔尼诺年北疆夏季极端降水的变化情况。经过分析,春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温均超过0.5个标准差的年份有:1983年、1987年、1991年、1998年、2002年、2005年、2010年、2014年、2015年、2016年,共10年;春季热带印度洋关键区平均海温超过0.5个标准差而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差的年份有:1988年、2001年、2009年、2012年、2013年,共5年。春季热带关键区海温的不同偏冷型也分为两种,春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温均低于-0.5个标准差的年份有:1962年、1967年、1968年、1971年、1974年、1975年、1976年、1978年、1985年、1989年、2000年、2008年,共12年;春季热带印度洋关键区平均海温低于-0.5个标准差而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差的年份有:1963年、1965年、1972年、1977年、1986年,共5年。下面针对春季热带关键区海温的不同偏暖型和偏冷型两种情况分别讨论春季热带关键区海温异常与北疆夏季极端降水的关系。

3.1 春季热带关键区海温异常与北疆夏季极端降水的关系

根据春季热带关键区海温的不同偏暖型和偏冷型,分析北疆夏季极端降水距平的合成分布情况。图6(a)是春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温均超过0.5个标准差时北疆夏季极端降水距平的合成分布,除阿勒泰地区阿勒泰市、福海、布尔津、富蕴,北疆沿天山一带的乌苏、沙湾、炮台、米泉站以外,其余39个观测站点的夏季极端降水量均为正距平,其中伊犁河谷、博州、北疆沿天山一带和天山山区等地23个观测站点夏季极端降水量的正距平超过10 mm,其中伊犁河谷东南部山区的尼勒克、巩留、新源站夏季极端降水量的正距平超过30 mm,最大夏季极端降水量正距平值出现在新源站,达到46.7 mm。可见当春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区的海温异常偏暖,即厄尔尼诺年时,北疆夏季极端降水异常增多,且大值区主要集中在42°~45° N、80°~91° E之间的区域。当春季赤道东太平洋关键区的平均海温绝对值小于0.25个标准差,而热带印度洋关键区的平均海温大于0.5个标准差时,即春季赤道东太平洋关键区海温处于正常态,仅热带印度洋关键区海温异常偏暖的情况下[图6(b)],分析北疆夏季极端降水距平的合成分布。此时,北疆有20个观测站点的夏季极端降水量为-0.7~-30.9 mm的负距平,主要集中在伊犁河谷西部平原地区、乌鲁木齐市、昌吉州和天山山区,其中巴州北部山区的巴仑台、巴音布鲁克,昌吉州的天池、木垒和乌鲁木齐市天山大西沟站夏季极端降水量的负距平低于-15 mm,最大极端降水负距平出现在天池站,为-30.9 mm;伊犁河谷东部、博州、塔城地区、阿勒泰地区、克拉玛依市、石河子市等地的27个观测站点为0.1~38.1 mm的正距平,其中塔城地区的塔城市、裕民、额敏,阿勒泰地区的阿勒泰市和克拉玛依市5个观测站的正距平大于20 mm,最大正距平值出现在额敏站,为38.1 mm。可见,当春季赤道东太平洋关键区海温正常,而热带印度洋关键区海温异常偏暖时,对北疆西北地区的夏季极端降水影响也很大,57.4%的观测站点出现极端降水偏多的现象。图6(c)是春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温均低于-0.5个标准差时,北疆夏季极端降水距平的合成分布,此时研究区域中除巴音布鲁克和巴仑台两个山区站的夏季极端降水为2.2 mm和5.5 mm的正距平外,其他45个观测站点均为低于-4.0 mm的负距平,最大负距平值出现在天池站,为-33.2 mm。结合春季热带印度洋关键区平均海温低于-0.5个标准差,而春季赤道东太平关键区海温处于正常态时,北疆夏季极端降水距平的合成分布来看[图6(d)],除了伊犁州西部山区、塔城地区北部、昌吉州和天山山区12个观测站点之外,其他35个观测站点的夏季极端降水均为负距平,即74.5%的观测站点出现极端降水偏少的现象。通过上述分析表明,北疆夏季极端降水主要与春季热带印度洋关键区的海温关系更为紧密,且当春季热带关键区异常偏暖时,北疆夏季极端降水明显增多。下面重点分析北疆夏季极端降水偏多时的情况,即春季热带关键区海温异常偏暖时夏季大气环流和水汽输送特征。

图6

图6   春季热带关键区平均海温异常年北疆夏季极端降水距平的合成分布(单位:mm,红色圆点表示通过0.05的信度检验)

Fig.6   The synthetic distribution of extreme summer precipitation in northern Xinjiang at anomaly year of mean sea surface temperature in tropical key regions in spring (unit: mm, red dots indicate a reliability test that passes 0.05)


3.2 春季热带关键区海温异常偏暖型与夏季大气环流的关系

由于海温对降水的影响主要是通过大气环流对海温的响应表现出来的,下面进一步分析春季热带关键区海温异常偏暖时影响北疆夏季极端降水的环流特征,图7给出了春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区平均海温异常偏暖时,200 hPa纬向风距平的合成分布。图7中阴影区域为200 hPa夏季平均纬向风,由图可见35°~45° N之间为大于25 m∙s-1的平均西风带,由于北疆夏季降水与40°~80° E之间的纬向风关系密切,此区域200 hPa纬向风对应西亚副热带西风急流,它的南北位置变化、急流轴方向均对夏季新疆降水有重要影响43-44。从图7(a)来看,当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区平均海温均大于0.5个标准差时,40° N以南为纬向风的正距平,表明西风加强,而在40° N以北为负距平区,西风减弱,对应西风急流轴线较常年平均偏南,此时北疆夏季极端降水增多。当春季热带印度洋关键区平均海温大于0.5个标准差,而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差时[图7(b)],40° E、40° N,100° E、48° N和40° E、28° N,100° E、35° N之间的区域为纬向风的正距平区,40°~75° E之间,40° N以南西风加强,以北西风减弱,在75°~100° E之间,正距平区域的位置和常年平均纬向风的位置一致,此处纬向风位置变化不大但西风急流强度明显增强,西亚副热带西风急流从中亚向新疆呈偏西南—东北向伸展,这也是新疆发生强降水的有利背景45,此时北疆西北地区的夏季极端降水增多。综上所述,当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区海温均异常偏暖时,西亚副热带西风急流位置偏南,北疆夏季极端降水偏多;当仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖时,西风急流强度加强,北疆西北地区夏季极端降水增多。

图7

图7   春季热带关键区平均海温异常偏暖型夏季200 hPa纬向风距平的合成分布(单位:m∙s-1,阴影为200 hPa夏季平均纬向风,红色圆点表示通过0.05的信度检验)

Fig.7   Synthetic distribution of zonal wind anomaly of 200 hPa in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring (unit: m∙s-1, shadow areasis average zonal wind at 200 hPa in summer, red dots indicate a reliability test that passes 0.05)


结合春季热带关键区平均海温异常年500 hPa风场距平的合成分布来看,当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区平均海温均大于0.5个标准差时[图8(a)],500 hPa中纬度从50°~120° E之间均为气旋式环流距平,其中在中亚地区为闭合气旋式环流距平区,在45° N以北的中高纬度西西伯利亚地区也为异常的气旋式环流距平,在贝加尔湖至蒙古地区为反气旋式环流距平,表明500 hPa西西伯利亚和中亚低值系统活动频繁,且贝加尔湖高压系统活跃,北疆位于中亚气旋式环流的东北部和贝加尔湖反气旋式环流的西南部,处于异常偏东南风的影响下,有利于低纬度的暖湿气流沿中亚气旋式环流底部的偏南气流和贝加尔湖反气旋式环流底部的偏东气流输送至新疆,并且两支气流的汇合区正好位于北疆地区,加之北疆纬度较高,夏季冷空气活动频繁,北方冷空气与暖湿气流交汇,有利于此处夏季极端降水的发生。当春季热带印度洋关键区平均海温大于0.5个标准差,而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差时[图8(b)],黑海、西西伯利亚地区至贝加尔湖地区为西南—东北走向的气旋式环流距平区,在50°~85° E、20°~40° N的区域为反气旋式环流距平区,有利于将低纬度的暖湿气流向中高纬输送,沿着气旋式环流距平区的异常偏西南气流向北疆输送,北疆处异常气旋式环流距平区底部的偏西气流中,西西伯利亚地区低值系统活跃,加之低纬度的暖湿气流输送,有利于北疆西北地区夏季极端降水的发生。可见,北疆夏季极端降水事件的增加与大气环流形势有着密切的关系,而大气环流异常是与海温等大气外强迫变化相联系的,图8(c)、(d)给出春季热带印度洋关键区平均海温、赤道东太平洋关键区平均海温与500 hPa风场距平的相关分布,由8(c)图可见,春季热带印度洋关键区平均海温与500 hPa风场距平在里、咸海地区,中亚地区和新疆以东的区域均存在显著相关(通过0.05的信度检验),当春季热带印度洋关键区海温异常偏暖,上述区域的风速也明显增大,异常距平区也更为显著;春季热带赤道东太平洋关键区平均海温与500 hPa风场距平在西西伯利亚地区和中国东部存在显著相关[图8(d),通过0.05的信度检验],即当春季赤道东太平洋关键区海温偏暖时,西西伯利亚地区和中国东部的风场距平区也更为显著。此外,春季热带印度洋关键区平均海温与夏季热带印度洋关键区平均海温的相关系数达0.81,春季赤道东太平洋关键区平均海温与夏季相关系数为0.70,说明春季热带关键区海温与夏季热带关键区海温的变化有很好的持续性。春季热带关键区海温异常偏暖时,通过影响西亚副热带西风急流位置、急流轴线和欧亚范围内大气环流,进而影响北疆夏季极端降水的变化。

图8

图8   春季热带关键区平均海温异常偏暖型夏季500 hPa风场距平的合成分布(图8a、b,单位:m∙s-1,红色圆点表示通过0.05的信度检验)和春季热带关键区平均海温与夏季500 hPa风场距平的相关分布(图8c、d,阴影区表示通过0.05的信度检验)

Fig.8   Synthetic distribution of 500 hPa wind field anomaly in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring(fig.8a and fig.8b, unit: m∙s-1, red dots indicate a reliability test that passes 0.05). Correlation distribution between mean sea surface temperature in key tropical regions in spring and 500 hPa wind field anomaly in summer (fig.8c and fig.8d, shaded areas indicate a reliability test that passes 0.05)


从低层700 hPa风场距平的合成分布来看,与500 hPa风场距平的合成分布有较强的一致性,说明对流层环流异常是一种相当正压结构。当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区平均海温均大于0.5个标准差时[图9(a)],700 hPa在50 °N以北的高纬度地区为异常的气旋式环流距平,表明高纬度冷空气势力较强,冷空气南下可维持并加强西西伯利亚低槽的斜压性,中亚地区和贝加尔湖至蒙古地区与500 hPa风场一致,分别为气旋式环流距平和反气旋式环流距平,可见西西伯利亚和中亚低值系统发展深厚,此时北疆为异常的偏东南气流,冷暖空气交绥,为极端降水的发生提供有利的条件。结合700 hPa垂直速度和散度分析[图9(c)],在伊犁河谷地区和北疆东部均存在明显的上升运动,并且在北疆中东部地区存在低层辐合,对应此处也是北疆夏季极端降水正距平的大值区。当春季热带印度洋关键区平均海温大于0.5个标准差,而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差时[图9(b)],中高纬度的气旋式环流距平区较500 hPa风场略偏北,中纬度60°~90° E之间的反气旋式环流距平区也较500 hPa风场偏北,44° N以北的北疆地区受异常气旋式环流距平区的偏西气流影响,结合里、咸海地区的气旋式环流距平,有利于低纬暖湿空气向北疆西北地区输送,利于此处夏季极端降水的发生。根据700 hPa垂直速度和散度场[图9(d)]来看,北疆西北地区配合有上升运动区,且在西部地区低层辐合较为明显。

图9

图9   春季关键区平均海温异常偏暖型夏季700 hPa风场距平(a、b)和垂直速度、散度(c、d)的合成分布(单位:m∙s-1,红色圆点表示通过0.05的信度检验)

Fig.9   Synthetic distribution of wind field anomaly of 700 hPa in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring(unit: m∙s-1, red dots indicate a reliability test that passes 0.05)


综上所述,当春季热带关键区海温异常偏暖时,欧亚中高纬环流系统具有显著的相当正压结构,高纬度冷空气势力较强,与中低纬度暖湿空气交汇为夏季极端降水的发生提供有利的条件,并且极端降水正距平区配合低层的辐合上升运动,动力条件也有利于极端降水的产生。

3.3 春季热带关键区海温异常偏暖型与水汽输送的关系

降水不仅需要有利的环流形势,更需要水汽条件的配合,尤其在北疆这个干旱与半干旱区,远离海洋,不受季风影响,水汽输送距离较长,新疆夏季暴雨的水汽主要沿西方、偏南和偏东路径输送45-46,在合适的环流条件下,通过接力方式向暴雨区输送并迅速集中,才能造成新疆较大范围的、持续性的强降水天气。当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区平均海温均大于0.5个标准差时[图10(a)],地表至300 hPa水汽通量在阿拉伯海至印度半岛上空为异常反气旋式环流,并且在20° N附近存在一条明显的偏西南水汽通量输送带,有利于将低纬阿拉伯海的水汽输送至中纬度地区,同时里、咸海地区至中亚地区为气旋式水汽通量输送,继续将输送到中纬度地区的水汽向北输送,阿拉伯海和孟加拉湾的水汽沿偏西南和偏南气流接力输送至北疆,且在北疆沿天山一带偏南气流大于5 m∙s-1,偏南路径的水汽输送对夏季降水,尤其是夏季大降水的发生特别重要45,并且东亚地区也为气旋式水汽输送,有利于将鄂霍茨克海的水汽沿偏东路径接力输送到北疆地区。北疆地区上空存在来自低纬度的偏南水汽输送及河西走廊向新疆伸展的低空偏东气流导致的来自鄂霍茨克海、贝加尔湖的水汽输送,加之中高层中亚低值系统活动频繁,贝加尔湖阻塞高压加强,中高层存在的低值系统和急流造成的上升运动起到抽气机作用,周围空气起补偿作用,导致中亚低槽或低涡南伸槽前西南气流携带的来自低纬度接力输送的水汽进入新疆后并迅速集中,且700 hPa在北疆中东部地区存在低层风场辐合,也有利于水汽积聚,为该地区夏季极端降水提供有利的水汽条件。结合此时的水汽通量散度来看,在伊犁河谷至北疆沿天山一带均为明显的水汽通量辐合区,有利于水汽积聚,产生局地大降水。当春季热带印度洋关键区平均海温大于0.5个标准差,而赤道东太平洋关键区平均海温绝对值小于0.25个标准差时[图10(b)],里海、咸海地区至北疆为气旋式水汽输送,青藏高原地区为反气旋式水汽输送,太平洋地区为气旋式水汽通量输送,从东北—蒙古地区—北疆西北地区存在明显的偏东水汽输送,有利于将西太平洋上空的水汽接力输送至北疆地区,且来自于青藏高原偏南气流输送的水汽和低空偏东气流输送的水汽正好集中在北疆,这与500 hPa至700 hPa的环流形势吻合,低纬度的暖湿气流沿中亚气旋式环流底部的偏南气流和贝加尔湖反气旋式环流底部的偏东气流输送至北疆。结合700 hPa风场距平的合成分布来看,新疆东部为高压脊区,高压底部的河西走廊至新疆存在一支异常的低空偏东气流,低层高压脊引导贝加尔湖和西太平洋的水汽向西传输,水汽主要由700 hPa偏东气流携带的水汽输送进入北疆,与来自青藏高原的偏南水汽汇合,配合低层风场的辐合,使得水汽也在此处迅速集中,从而为极端降水天气的发生提供了有利的水汽条件。这种情况下,偏东水汽通量占优势,贡献量远大于西方和南方路径的水汽输送,这与低层水汽输送一致,主要由于大气水汽主要集中于低层,垂直积分的水汽通量很大部分来自于低层贡献46-47。结合水汽通量散度[图10(b)],北疆偏北地区和伊犁河谷地区正好为水汽通量的辐合区,为该地区夏季极端降水的发生提供充足的水汽供应。

图10

图10   春季热带关键区平均海温异常偏暖型夏季地表至300 hPa水汽通量距平的合成分布(单位:kg∙m-1∙s-1,红色圆点表示通过0.05的信度检验)和水汽通量散度距平的合成分布(阴影,单位:10-6 kg∙m-2∙s-1

Fig.10   Synthetic distribution of water vapor flux anomaly from surface to 300 hPa (unit: kg∙m-1∙s-1, red dots indicate a reliability test that passes 0.05) and Synthetic distribution of water vapor flux divergence anomaly in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring (shadow, unit: 10-6 kg∙m-2∙s-1


通过上述分析,当春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区海温异常偏暖时,夏季200 hPa西风急流轴位置偏南,500 hPa西西伯利亚和中亚地区低值系统活动频繁,贝加尔湖高压系统活跃,是有利于北疆夏季大降水的环流形势,南方路径的水汽输送和辐合集中为夏季极端降水提供了有利的水汽条件,有利于北疆夏季极端降水增多;仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖,而赤道东太平洋关键区海温正常时,200 hPa西风急流明显加强,500 hPa西西伯利亚地区低值系统活跃,北疆地区受低值系统底部偏西气流的影响,加之偏东路径水汽的接力输送,辐合积聚于北疆西北地区,有利于此处夏季极端降水的发生。

4 结论

本文利用1961—2017年新疆夏季降水资料、NOAA海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,讨论了北疆夏季极端降水的时空变化特征和春季热带海温影响北疆夏季极端降水的关键区,重点研究春季关键区海温不同偏暖型,北疆夏季极端降水的分布以及夏季大气环流形势、水汽条件的异常分布特征。得出以下主要结论:

(1)春季热带印度洋(20° S~15° N,50°~110° E)和赤道东太平洋(15° S~15°N,90°~180° W)是影响北疆夏季极端降水的海温关键区,北疆夏季极端降水与春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区的平均海温为同位相变化,尤其是与春季热带印度洋关键区在年际和年代际尺度上的联系更为紧密。

(2)春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区海温异常偏暖时,北疆夏季极端降水明显偏多,当春季赤道东太平洋关键区海温处于正常态,而热带印度洋关键区海温异常偏暖时,北疆西北地区夏季极端降水增多。

(3)春季热带印度洋、赤道东太平洋关键区海温均异常偏暖时,夏季200 hPa西风急流明显偏南,西西伯利亚和中亚低值系统活跃,贝加尔湖高压发展,南方路径输送的水汽增加,环流形势和水汽条件均有利于北疆夏季极端降水的发生;当春季赤道东太平洋关键区海温变化不明显,仅热带印度洋关键区海温异常偏暖时,夏季200 hPa西风急流强度增强,西西伯利亚地区低值系统活跃,偏东路径水汽的接力输送有利于北疆西北地区夏季极端降水的发生。

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